2022, Vol. 42
内蒙古西部的狼山山前断裂控制着河套盆地西北边界[1]，也是阿拉善块体和鄂尔多斯块体的分界断裂，该断裂正断作用剧烈，是中国大陆非常典型的正断裂之一。董绍鹏等[2-3]研究认为，该断裂是河套地区一条重要的地震带，强震平均复发周期约为2 500 a，平均震级达到7~8级。狼山山前断裂东侧临河盆地所在的河套地区自古以来人口稠密，周边分布有多个重要城镇，因此该断裂的地震危险性以及深部孕震环境一直备受学者关注。
狼山山前断裂长约160 km，呈北东向延伸至北部近东西走向的阴山山脉。狼山山前断裂以西的狼山山脉可以分为北段、中段和南段，其中中段海拔最高(图 1)。研究表明[2-3]，狼山山前断裂的最大滑动速率和最大位移就发生于断裂中段，且该断裂中段全新世以来活动最为剧烈。大地电磁法对流体和温度敏感，因此其在震源区深部精细结构探测中可为发震构造和孕震与发震机理提供解释依据[4-7]。本文拟对一条跨狼山山前断裂的宽频带大地电磁剖面进行精细化处理和二维反演，获得沿剖面各地块和断裂带的深部电性结构图像，从电性结构分析狼山山前断裂及其邻近区域的深部结构特征，进而探讨鄂尔多斯地块与阿拉善地块的接触关系。
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F1 : 狼山山前断裂; F2: 雅布赖山山前断裂; F3 : 巴彦乌拉山东缘断裂; F4: 桌子山西缘断裂; F5 : 磴口-本井断裂 图 1 鄂尔多斯地块西北缘断裂分布和狼山山前断裂中段大地电磁点位分布 Fig. 1 Distribution of faults in the northwest edge of Ordos block and magnetotelluric points in the middle section of Langshan piedmont fault |
大地电磁剖面西北起于狼山隆起腹地，向南东方向经过青山镇，止于杭锦后旗附近，剖面主要穿过狼山山前断裂中段。沿剖面共获得15个测点(图 2)，剖面长约55 km，平均点距约3~4 km，在狼山山前断裂附近加密至1~2 km左右。野外数据采集在2021-09进行，共耗时约15 d，采用加拿大凤凰公司MTU-5A设备进行数据采集(频带范围320~0.000 5 Hz)。
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图 2 测点视电阻率和阻抗相位曲线 Fig. 2 Apparent resistivity and impedance phase curves of all points |
图 2为沿剖面15个测点的视电阻率和阻抗相位曲线形态和数值，通过分析可以初步了解狼山山前断裂两侧狼山隆起和临河盆地的电性结构特征。10A、11A、12A、13B、14A、15A、16A等7个测点位于F1狼山山前断裂以西的狼山隆起腹地，视电阻率曲线形态几乎均呈现出由高到低特征，且电阻率曲线数值整体较高。该地区对应狼山隆起，表明该区域浅部以高阻特征为主。17B、17A、18A、19A、20A、21A、22A、23A等8个测点位于狼山山前断裂以东的临河盆地地区，视电阻率曲线形态也呈现出较为相似的特征，但与西侧狼山隆起测点特征不同，这种分布特征也进一步说明F1狼山山前断裂就位于16A和17B测点之间。
1.3 区域电性走向和维性特征分析使用大地电磁资料处理系统[8]中分频段和分点的相位张量分解方法[9], 计算统计沿剖面全部测点全频段320~0.000 5 Hz的电性走向角。图 3(a)为全频段和分频段的相位张量电性走向玫瑰花瓣图，从图中可以看出，沿剖面全部测点全频段电性走向为北偏东45°或北偏西45°，结合该区地质构造走向为北东向，判断该地区电性走向整体为北偏东45°较为合理。此次野外大地电磁剖面沿北偏西45°方向布设，将剖面上15个测点按照测量方位(南北向)向东旋转45°，获得TE和TM数据[10]。此外，每个相位张量椭圆还对应二维偏离度角|β|。当|β|＜3时，地下介质可近似为二维情况；|β|＞3时，区域电性结构可视为三维情况，且|β|值越大表明MT数据的三维性越强[9]。图 3(b)为沿剖面的二维偏离度角|β|，从图中可以看出，临河盆地高频部分近似为一维层状结构，表明该地区主要为沉积层。狼山隆起二维偏离度角|β|整体较大，表明相对于临河盆地，狼山隆起构造较为复杂。
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图 3 不同频率相位张量分解的最佳主轴电性走向玫瑰花瓣图和二维偏离度角|β| Fig. 3 The rose diagrams of the optimal geoelectric strikes from phase tensor decomposition at different frequencies and two-dimensional skewness |β| |
将旋转后的TE和TM模式的视电阻率和阻抗相位数据作为二维反演输入数据，并在计算前删除游离的飞点和无法一维拟合的部分频点。由于狼山山前断裂附近地形较为复杂，结合蔡军涛等[11]在复杂构造区的相关研究结果，本文将TM模式数据的门槛误差设置较低(2%)，将TE模式数据的门槛误差设置较高(5%)，并将TE模式视电阻率数据的本底误差放大10倍，主要使用TM模式数据进行二维反演计算。采用非线性共轭梯度法进行反演计算[12]，使用电阻率为100 Ω·m的均匀半空间，采用自动更新的正则化因子(Tau)进行反演，并绘制RMS分布图，最后选择Tau=10、RMS=3.9的反演结果作为最后解释结果。图 4和图 5分别为TM和TE两种极化模式实测和响应对比图，从图中可以看出，本次反演计算拟合情况较好，这也表明反演结果能够反映出较为真实的地下结构。
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图 4 TM极化模式实测和响应对比图 Fig. 4 Comparison of measured values and calculated values of TM polarization mode |
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图 5 TE极化模式实测和响应对比图 Fig. 5 Comparison of measured values and calculated values of TE polarization mode |
图 6为二维反演获得的0~30 km深部电性结构图和沿剖面地形变化。通过对比断裂分布和大地电磁测点的相对位置，将研究区划分为狼山隆起和临河盆地，其中狼山隆起地形起伏较大，临河盆地地形较为平缓，两个地块之间海拔差最大可达上千米，两个地块的边界地带即为狼山山前断裂位置。
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图 6 深部电性结构和解译图 Fig. 6 Deep electrical structure and interpretation |
从整体上看，狼山山前断裂在0~30 km深度地壳范围内表现为明显的高低阻电性边界带，该断裂为狼山隆起与临河盆地分界断裂。其中狼山山前断裂以西的狼山隆起地区上地壳表现为水平层状的高阻结构，整体深度接近10 km，表现出较为完整的高阻特征，并有向西继续延伸的趋势，刚好对应狼山隆起地区出露的古生代基岩地层。狼山隆起地区中下地壳以低阻体(LRB)为主，与上地壳高阻体在10 km深度处具有明显的高低电性边界带，表明狼山隆起深部介质以层状分布为主。狼山山前断裂以东的临河盆地地区存在低阻沉积层，低阻体分布较为平缓，底部深度为5 km，表现出向东继续延伸的趋势，沉积层下方可能存在高阻基底(HRB)。电性结构特征表明，沉积层在临河盆地腹部达到5 km深度，这也与早期地质调查显示临河盆地是鄂尔多斯地块周缘沉积层厚度最大的沉积盆地的结论相对应[1]。
狼山隆起和临河盆地这种截然不同的电性构造特征显示出这两个地块分属不同的构造单元，也表明狼山山前断裂是一条切割地壳尺度的深大断裂。该断裂从地表延伸至地下30 km，这与图 3中相位张量二维偏离度角|β|和相位旋转不变量获得的认识相同。将狼山山前断裂的深部特征与已有的大地电磁探测结果[4-7]以及该地区地震学资料[13]、重磁资料[14]对比可知，该断裂深部分布特点符合中强地震区地震孕育发生的规律，这也表明狼山山前断裂是河套地区一条具有强震风险的断裂带。
4 结语本文对一条穿过狼山山前断裂中段的宽频带大地电磁剖面进行精细化处理和二维反演，获得该断裂中段及其两侧地块的深部电性结构特征。结果表明，狼山山前断裂表现出明显的高低阻电性边界带，断裂西侧的狼山隆起上地壳表现出较为完整的高阻特征，中下地壳以低阻体为主；狼山山前断裂东侧的临河盆地浅部存在5 km厚的低阻沉积层，沉积层下方可能存在高阻基底。该分布特征表明狼山山前断裂是一条切割地壳尺度的深大断裂，同时具有孕育强震的风险。
| [1] |
国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组. 鄂尔多斯周缘活动断裂系[M]. 北京: 地震出版社, 1988 (Research Group of Active Fault System around Ordos Block, State Seismological Bureau. Active Fault System around Ordos Block[M]. Beijing: Seismological Press, 1988)
(  0) |
| [2] |
董绍鹏, 张培震, 郑文俊, 等. 河套地区狼山山前断裂的古地震研究——构造及地震危险性启示[J]. 地震地质, 2018, 40(6): 1216-1239 (Dong Shaopeng, Zhang Peizhen, Zheng Wenjun, et al. Paleoseismological Research on the Langshan Range-Front Fault, Hetao Area, China: Insights for Studies on Tectonics and Seismic Risk[J]. Seismology and Geology, 2018, 40(6): 1216-1239)
( 0) |
| [3] |
董绍鹏. 狼山山前断裂的晚第四纪活动习性与古地震研究[D]. 北京: 中国地震局地质研究所, 2016 (Dong Shaopeng. Late Quaternary Tectonic Activity and Paleoseismology along the Langshan Range-Front Fault[D]. Beijing: Institute of Geology, CEA, 2016)
( 0) |
| [4] |
赵凌强, 詹艳, 王庆良, 等. 1954年甘肃民勤7级地震区深部电性结构特征及地震构造环境研究[J]. 地震地质, 2018, 40(3): 552-565 (Zhao Lingqiang, Zhan Yan, Wang Qingliang, et al. Deep Electrical Structure beneath the 1954 MS7.0 Minqin, Gansu Earthquake and Its Seismotectonic Environment[J]. Seismology and Geology, 2018, 40(3): 552-565 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.004)
( 0) |
| [5] |
詹艳, 赵国泽, Unsworth M J, 等. 龙门山断裂带西南段4.20芦山7.0级地震区的深部结构和孕震环境[J]. 科学通报, 2013, 58(20): 1917-1924 (Zhan Yan, Zhao Guoze, Unsworth M J, et al. Deep Structure beneath the Southwestern Section of the Longmenshan Fault Zone and Seismogenic Context of the 4.20 Lushan MS7.0 Earthquake[J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(20): 1917-1924)
( 0) |
| [6] |
Zhao G Z, Unsworth M J, Zhan Y, et al. Crustal Structure and Rheology of the Longmenshan and Wenchuan MW7.9 Earthquake Epicentral Area from Magnetotelluric Data[J]. Geology, 2012, 40(12): 1139-1142 DOI:10.1130/G33703.1
( 0) |
| [7] |
赵凌强, 詹艳, 孙翔宇, 等. 利用大地电磁技术揭示2016年1月21日青海门源MS6.4地震隐伏地震构造和孕震环境[J]. 地球物理学报, 2019, 62(6): 2088-2100 (Zhao Lingqiang, Zhan Yan, Sun Xiangyu, et al. The Hidden Seismogenic Structure and Dynamic Environment of the 21 January Menyuan, Qinghai, MS6.4 Earthquake Derived from Magnetotelluric Imaging[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(6): 2088-2100)
( 0) |
| [8] |
陈小斌, 赵国泽, 詹艳. MT资料处理与解释的Windows可视化集成系统[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(增): 11-16 (Chen Xiaobin, Zhao Guoze, Zhan Yan. A Visual Intergrated Windows System for MT Data Processing and Interpretation[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2004, 39(S): 11-16)
( 0) |
| [9] |
Caldwell T G, Bibby H M, Brown C. The Magnetotelluric Phase Tensor[J]. Geophysical Journal International, 2004, 158(2): 457-469 DOI:10.1111/j.1365-246X.2004.02281.x
( 0) |
| [10] |
陈乐寿, 王光锷. 大地电磁测深法[M]. 北京: 地质出版社, 1990 (Chen Leshou, Wang Guang'e. Magnetotelluric Sounding[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1990)
( 0) |
| [11] |
蔡军涛, 陈小斌. 大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(二)——反演数据极化模式选择[J]. 地球物理学报, 2010, 53(11): 2703-2714 (Cai Juntao, Chen Xiaobin. Refined Techniques for Data Processing and Two-Dimensional Inversion in Magnetotelluric Ⅱ: Which Data Polarization Mode should be Used in 2D Inversion[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2010, 53(11): 2703-2714)
( 0) |
| [12] |
Rodi W, Mackie R L. Nonlinear Conjugate Gradients Algorithm for 2-D Magnetotelluric Inversion[J]. Geophysics, 2001, 66(1): 174-187 DOI:10.1190/1.1444893
( 0) |
| [13] |
宋晓燕, 张建中, 王鑫, 等. 鄂尔多斯块体北缘Pn波层析成像研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2020, 40(1): 35-38 (Song Xiaoyan, Zhang Jianzhong, Wang Xin, et al. Pn Velocity Tomography around the Northern Ordos Block[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2020, 40(1): 35-38)
( 0) |
| [14] |
张振宇, 王书民, 朱威, 等. 内蒙狼山成矿带地球物理场特征[J]. 地球科学, 2019, 44(9): 3147-3156 (Zhang Zhenyu, Wang Shumin, Zhu Wei, et al. The Geophysical Field Characteristics of Langshan Metallogenic Belt in Inner Mongolia[J]. Earth Science, 2019, 44(9): 3147-3156)
( 0) |